לנווט כמו תולעת בתוך מבוך כימי

בשל חשיבות המעבר של פרודה בתוך מבוך של מערכת כימית, כגון במקרה של קטליזה, ועבור תהליכים כימיים חשובים אחרים, מדענים משתמשים תכופות בהדמיות מחשב בכדי לאמוד את פעולות הגומלין שבין פרודה למבוך

בשל חשיבות המעבר של פרודה בתוך מבוך של מערכת כימית, כגון במקרה של קטליזה, ועבור תהליכים כימיים חשובים אחרים, מדענים משתמשים תכופות בהדמיות מחשב בכדי לאמוד את פעולות הגומלין שבין פרודה למבוך. בעבר, הדמיות אלו היו יקרות וממושכות בזמן, אולם עתה חוקרים מהמעבדה הלאומית Lawrence Berkeley פיתחו אלגוריתם חדש שיוכל להפוך הדמיות עתידיות מסוג זה לפשוטות ומהירות יותר, תוך קבלת תוצאות מדויקות יותר.

“כיום, הגורם המגביל העיקרי בהרצת הדמיות מולקולאריות עבור מספר גדול של מבנים, כך שיוכלו לשמש אחר-כך בפיתוח של חומרים שימושיים חדשים, הינו הצורך בבחינה חזותית של המבנים הללו,” מסביר Maciej Haranczyk, כימאי תיאורטי. “בעזרת הגישה שלנו, בחינה מבנית זו ניתנת לביצוע באופן אוטומאטי, שמאיץ את כל תהליך סריקת החומרים.” ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences.

המפתח להצלחתו של אלגוריתם חדש זה היה בזניחת הטיפול המסורתי בפרודות ככדורים קשיחים, בעלי רדיוס קבוע. במקום זאת, החוקרים בנו “תולעים מולקולאריות” מיחידות הקשורות ביניהן ע”י חוליות גמישות. תולעים מולקולאריות אלו סיפקו תיאור מציאותי יותר של גיאומטריית הפרודה, ובכך הציגו תמונה מדויקת יותר לגביי האופן שבו היא מנווטת בתוך מבוך כימי נתון.

“בפועל, לרוב הפרודות הנבדקות, אפילו הממסים או הגזים הפשוטים ביותר, אין מבנה כדורי, והטיפול בפרודות ככאלו מוביל לשגיאות,” מסביר החוקר. “התולעים המולקולאריות שלנו מסוגלות לשנות את צורתן במהלך חציית המבוך הכימי, ובכך הן מסוגלות להגיע לאזורים שאינם נגישים לחלוטין עבור גלאי כדורי יחיד ועבור גלאי קשיח הבנוי בצורה המתאימה. השיטה מרחיבה באופן משמעותי את טווח הגלאים והמבנים שניתן לבחון באופן יעיל.”

במהלך ניווטה של פרודה בתוככי מערכת כימית, מידת נגישותה לאתר או למיקום מסוים בתוך המערכת קובעת את מידת התרחשותן של תגובות כימיות, בכללן קטליזה. רבים מאתרים חשובים אלו טמונים עמוק בתוך חללים, “כיסים” או נישות חבויות, או שהם מהווים מערכת של תעלה. הנפח הנגיש של מערכת כימית – כלומר, הנפח הזמין עבור הפרודה המחלחלת לתוכה – חיוני גם עבור התכונות הפיסיקליות של המערכת, בכללן פעפוע, צמיגות ומוליכות חשמלית. חיזוי יכולתה של פרודה לחצות דרך מבוך כימי הינו השאלה הראשונה שהדמיה מחויבת לענות עליה, ולאחר-מכן נדרשים איתור נתיב החצייה הקצר ביותר, איתור הגלאי הנפחי ביותר המסוגל לחצות וחישוב הנפח הנגיש.

“החישובים הנדרשים הופכים יקרים מדי כאשר מביאים בחשבון את פעילות-הגומלין של כל האטומים של הפרודה המחלחלת עם כל האטומים של המבוך, ובייחוד כאשר הליך זה חייב לחזור על עצמו בכל אחד משלבי ההדמיה,” מסביר החוקר. “בנוסף, בדינאמיקה מולקולארית, חוקרים רק נתיב אפשרי אחד עבור כל פרודה. מאחר ופרודה מחלחלת עשויה לנתר מדופנות המערכת לפני שהיא מוצאת דרך החוצה, מיפוי הנפח הזמין במבוך כימי עלול להידרש להרצת הדמיות ארוכות מאוד לשם הצפייה המעשית במסלולה של הפרודה.”

החוקר, בבואו להפוך את תהליך הבחינה של החללים הפנויים בחומרים נקבוביים לאוטומאטי, מצא רעיון לגלאי שינוע בתוככי החומר וימפה את מסלולו זה. המדען השותף, Sethian, חקר שיטות מתמטיות שתוכלנה לשמש בניווט רובוטים ובתכנון נתיבים, וכן אלגוריתמים רבים לחישוב גיאומטריות במערכות מורכבות. “מה שמרתק בעבודה שלנו היה השילוב של שני עולמות שונים לגמרי לבניית שיטה חדשה לחלוטין,” מסביר החוקר.

שני המדענים צרפו יחדיו את המומחיות שלהם לשם הפיתוח של אלגוריתם עבור תולעת מולקולארית, שאותה הם ניסו לראשונה על חומר זאוליטי. זאוליטים הינם מינראלים מיקרו-נקבוביים שמשמשים באופן נרחב החל משנות החמישים כזרזים כימיים, כממבראנות עבור סינונים וכמרככי מים. הם שימושיים במיוחד כזרזים לפרוק חומרים אלקאנים בתהליכי זיקוק נפט.

אומנם ידועים היום כמאה ותשעים מבנים זאוליטיים, אולם כמות זו מהווה חלק זעום ביותר מבין כשני מיליון וחצי מבנים אפשריים, הנסמכים על בסיס תיאורטי-חישובי,” מסביר החוקר. “הפיתוח של בסיס נתונים עבור מבנים זאוליטיים תיאורטיים נחשב מזה זמן רב כשלב חשוב לכיוון התכנון של זרזים יעילים יותר. אולם, הסריקה הגסה של כל מבני הזאוליטים האפשריים באמצעות אפיון בדינאמיקה מולקולארית אינו בר-יישום מבחינה מחשובית, ועל-כן נולד הצורך לסריקה מהירה המבוססת על בחינה ראשונית של תכונות מסוימות וצמצום יעיל של היקף המבנים.”

הצלחת הניסוי של אלגוריתם זה עבור תולעת מולקולארית בזאוליט טיפוסי, המשמש לפרוק אלקאנים, פותחת צוהר מיידי לשימושו של האלגוריתם בסריקת ומציאת זאוליטים חדשים וכן מגוון חומרים נקבוביים אחרים. לאלגוריתם החדש יהיה ערך רב גם במציאת חומרים שיוכלו ללכוד פליטות פחמן לפני שהן מגיעות לאטמוספרה. עם שיפורים נוספים, האלגוריתם יוכל לשמש בעתיד גם עבור חקר חלבונים, ובייחוד אנזימים.

הידיעה ממכון המחקר